基于剪力墻結構在高層建筑中的優化設計探討

吳金保

【摘 要】剪力墻也可以稱為抗風墻、抗震墻或結構墻，是房屋或構筑物中主要承受風載荷或地震作用引起的水平荷載和豎向荷載的墻體，能夠有效的防止結構剪切破壞。在高層建筑中，剪力墻的作用尤為重要，本文對高層建筑剪力墻結構設計進行優化分析。

【關鍵詞】剪力墻結構；高層；結構優化

1.高層建筑剪力墻結構設計簡析

高層建筑剪力墻結構設計是一項系統性的設計工作，主要體現在設計重要性、設計前提、設計特點、設計原則等方面。以下從幾個方面出發，對高層建筑剪力墻結構設計進行了分析。

1.1 設計重要性

高層建筑剪力墻結構設計有著非常高的重要性。眾所周知高層建筑是社會生產發展和人們生活需求的產物，并且本身也是現代化、工業化和城市化的必然結果。高層建筑剪力墻結構的設計則在很大程度上反應出了一個國家的建筑科技經濟的發展水平。其次，隨著我國經濟的發展和社會的進步以及城市人口密度的持續提升，高層建筑正在逐步成為當今建筑最為重要的發展趨勢，并且也成為了城市現代化的象征。為了能夠有效的滿足高層建筑的抗震性和經濟性，因此對剪力墻結構進行更深入的研究就具有重要的理論和實踐意義。

1.2 設計前提

高層建筑剪力墻結構設計有著必要性的前提。高層建筑剪力墻結構設計本身就具有很多的概念和原則。打個比方來說，設計人員在設計一幢高層建筑時可以將這一建筑看成一根豎直放置在嵌固于地基的開孔帶。其次，由于高層建筑多為巨型空間構架，因此建筑的剪力墻不僅僅需要承受所有重力荷載的作用，并且還需要在這一前提下保持穩定。與此同時，由于高層建筑剪力墻結構還需要保證各種建筑內部的裝飾、填充墻等不會在地震等作用中受到損壞，還需要提供建筑內部工作、生活的人們有一個舒適的環境，因此其設計需要將剪力墻可能出現的變形控制在一定范圍內。

1.3設計特點

高層建筑剪力墻結構設計自身有著獨特的特點。眾所周知，剪力墻結構在水平力作用下往往容易出現彎曲型的側向變形，并且由于剪力墻結構承受的豎向荷載和水平荷載都較大，結果在很大程度上促使了高層建筑剪力墻結構具有很好的整體性和側向剛度。但是在這一過程中需要注意的是，高層建筑剪力墻結構由于不能夠提供大空間房屋并且結構延性通常來說也較差，因此這在很大程度上限制了高層建筑剪力墻結構的設計空間，例如許多高層建筑的內部房屋只能以小房間為主，這與高層建筑剪力墻結構設計限制有著非常大的關系。

1.4設計原則

剪力墻結構設計時，應根據規范要求綜合考察結構是否合理，比如說剪力墻結構剛度不宜過大，應以規范規定的樓層最小剪力系數為目標，使計算結果接近規范限值（不小于限值），同時要使樓層層間最大位移與層高之比滿足規范限值，再者，對剪力墻結構設計而言，含鋼量和混凝土用量也是判斷結構是否設計合理的重要經濟指標，如下表1所示。

2.高層建筑剪力墻結構優化設計

高層建筑剪力墻結構優化設計需要許多方面工作的支持。以下從優化結構布置、確保結構均勻、合理開設洞口、進行結構分析等方面出發，對高層建筑剪力墻結構優化設計進行了分析。

2.1 優化結構布置

高層建筑剪力墻結構優化首先應當著眼于結構布置的優化。設計人員在優化結構布置時首先應當確保剪力墻是沿著主軸方向或者是其他方向來進行雙向均勻布置。這一布置在一方面能夠形成良好的空間結構抗震設計，并且還能夠使兩個受力方向的抗側剛度接近，最終使其具有較好的空間工作性能。其次，剪力墻上要求開設門窗洞，因此設計人員在優化結構布置時應當針對剪力墻抗側剛度較大的特性來進一步充分利用剪力墻的能力，例如設計人員可以減輕結構重量并且以此基礎上增大剪力墻結構的可利用空間。與此同時，設計人員在優化結構布置時應當在滿足樓層最大層間位移與層高之比滿足規范的基礎上進一步提升剪力墻的質量與使用壽命。

2.2確保結構均勻

高層建筑剪力墻結構優化還應當確保結構的均勻性。由于高層建筑按照所用結構材料可以分為鋼筋混凝土結構、鋼結構、砌體結構和混合結構。并且于砌體材料的抗拉強度較低，抵抗水平荷載作用的能力和延性較差，在高層建筑中很少使用。高層結構的基本受力單元包括框架、剪力墻和筒體。伴隨著高層建筑的迅速增加，原來的框架結構因為露梁、露柱現象已逐漸被剪力墻結構所替代。剪力墻是以承受水平荷載為主的豎向構件，其寬度可達幾十米甚至上百米。設計人員在確保結構均勻時應當避免出現墻肢剛度相差過于懸殊的洞口設置，并且當剪力墻的洞口布置出現錯洞問題時設計人員應當通過采取框架形式等不同的方法來迅速的對其進行處理。其次，設計人員在確保結構均勻時應當確保剪力墻能夠自下到上連續布置，從而能夠有效的避免剛度突變問題的出現。與此同時，設計人員在確保結構均勻時可以沿高度選擇性的減少部分墻肢，從而能夠避免對于結構抗震產生不利的影響。

2.3合理開設洞口

高層建筑剪力墻結構優化需要合理的開設洞口。工作人員在合理開設洞口時應當將其分成長度較為均勻的若干墻段，并且在這一過程中采用弱連梁來進行連接，這主要是為了能夠確保每個獨立墻段的總高度與其截面高度之比低于3，從而能夠有效的避免剪力墻產生脆性的剪切破壞。其次，由于高層住宅通常利用樓梯、電梯及豎向管道井等部位設置剪力墻，形成相對完整的筒體。設計人員在進行抗震設計時應當盡量避免在洞口與墻邊或者是在兩個洞口之間形成墻肢截面高度與厚度之比小于4的小墻肢。與此同時，設計人員在設計小墻肢截面高度小于墻厚的4倍的剪力墻時應當按框架柱來進行設計，并且在這一過程中合理的控制剪力墻平面外的彎矩，從而能夠在此基礎上保證剪力墻平面外的穩定性。

2.4 進行結構分析

設計人員在高層建筑剪力墻結構優化時應當進行細致的結構分析。設計人員在進行剪力墻的結構設計時應當首先通過結構分析來滿足最大層間位移、周期比、位移比等重要的結構各項指標。其次，設計人員在進行結構分析時應當考慮到不同抗震等級情況下剪力墻的穩定性和相關構造要求，并且還應當根據《高層建筑混凝土結構技術規程》中的有關規定來進行設計。與此同時，設計人員在進行剪力墻的結構設計時應當根據規范要求綜合考察結構是否合理和剪力墻結構的具體剛度，來最終提升結構整體的穩定性。

3.結束語

剪力墻結構的優化設計在高層建筑中起著非常重要的作用，我們在施工設計中應根據具體的要求，選擇最合適的優化，這樣才能有效地保證我們工作的開展。不過高層建筑中剪力墻結構的要求相比傳統建筑要高的多，加之新的規范與標準，這些都會給我們的設計工作提出新的問題與挑戰。所以，我們在剪力墻結構的優化設計中要多思考、多總結，不斷學習先進的經驗來充實自身，通過這些手段，我相信在不遠的將來我們的設計水平必將上升到一個新的檔次。

參考文獻

[1]羅赤宇，向前，王金鋒，等. 佛山保利商務中心結構設計與分析[J].《建筑結構》，2014（14）

[2]賀海斌. 高層建筑剪力墻結構中剪力墻合理數量的研究[D].湖南大學，2012，03（16）

[3]周浪. 高層住宅剪力墻結構優化設計研究[D].武漢理工大學，2013，04（01）

[4]門進杰，李慧娟，史慶軒，等. 某板式住宅高層建筑剪力墻結構優化設計研究[J].結構工程師，2013，06（28）